基于逆滤波器原理的吸声系数测量研究

　　在消声水池进行水声测量时,为了能够将入射波、反射波和水池中的其他回波区分开来,一般选用宽带窄脉冲信号。李水[1]利用压缩方法得到了大约0.1ms的方波信号,但是波动很大。朱蓓丽[2]采用改进的脉冲方法测量自由场中材料的吸声系数,误差约为10%。Piquette[3, 4]提出的瞬态抑制方法可以改善脉冲声信号的瞬态过程,使脉冲声源能够辐射需要的波形完美的宽带短脉冲,但需要对换能器的性能参数精确测量才能够得到较好的脉冲。

　　从发表的文献看,不管在空气声或水声测量中,针对脉冲回波法吸声测量的需要进行脉冲声信号的设计与研究的工作还不多。近年来, Jing和Fung研制了一种脉冲声源,可以辐射所需的脉冲波形,最短长度可达0.5ms[5]。本文作者针对吸声测量的要求,研究了波形可控的脉冲声信号生成技术,成功研制了空气脉冲声源系统[6]。

　　在先前的研究基础上,本文采用逆滤波器原理在消声水池内进行了水声脉冲的研究,得到了0.5ms的巴特沃斯宽带脉冲和具有特定频带的衰减正弦脉冲,为进一步进行水声材料的吸声测量奠定了基础。

　　1 实验装置

　　实验是在20x20x10m的消声水池内进行,数据采集卡为NI 6062E,功率放大器采用B&K2713,发射换能器为纵向振动圆面辐射振子,接收水听器为B&K8104,信号调理器选用声望MC1016,另外,选用NI适配器2090进行采集卡与功放和调理设备间的连接。如图1所示:

　　实验中,换能器和水听器距离水面的距离均为2m,二者之间的水平距离为3m,其中,水听器频响范围在2Hz-20kHz的范围内均很平直。

　　2 脉冲声信号产生原理

　　利用逆滤波器原理,首先利用巴特沃斯脉冲信号激励换能器系统,测量水听器处声压作为响应信号,设激励和响应信号的傅立叶变换分别为He(ω)和Hr(ω),由下式解算该系统的频率响应函数

　　然后,根据需要设计的脉冲声(设其幅度谱为Hy(X))和解算出的频率响应函数H(X),由式(1)计算获得驱动信号的幅度谱

　　对Hx(ω)进行反傅立叶变换后得到系统的驱动信号。

　　3 脉冲声信号产生

　　激励信号的选择主要考虑以下原则:首先,信号的时域特征是光滑(无突变)、振荡型的脉冲信号,便于水声换能器响应,更好地避免换能器的瞬态响应,其次,信号的重复性好,以便于可以进行多次测量平均而消除随机噪声,提高测量时的水声信噪比。另外,信号的频谱特征易改变,计算简单。基于以上考虑,选用butterworth低通滤波器脉冲响应信号作为求解频响函数的激励信号,如图2所示

　　利用上述持续时间为1ms的Butterworth脉冲,激励换能器,得到整个系统的频率响应,如图3然后,据式(2)解算出相应的激励脉冲。利用此激励脉冲重新激励换能器,得到所需要的脉冲。